Chapitre IV. Analyse de la tenue structurale de la réparation
4. Conclusion sur la tenue structurale de la réparation
Après l'étude sur éprouvette élémentaire de l'interface réparée qui a montré une bonne restitution des propriétés de ténacité d'interface pour la réparation proposée (Chapitre III), l'objectif de ce chapitre était de mettre en œuvre des essais de caractérisation représentatifs de sollicitations structurales afin d'analyser la tenue des réparations. La réparation par infiltration a été utilisée comme support dans cette étude.
Parmi de nombreux essais de structures possibles, deux essais ont été utilisés ici. La compression après impact réparé et le poinçonnement sont des essais complémentaires (sollicitation dans le plan et hors plan), et paraissaient incontournables pour cette étude. En effet, le premier essai est issu d'essai de qualification industrielle connu pour sa criticité vis-à-vis de la tenue après impact. Dans la démarche de validation des réparations composites, la restitution des propriétés du matériau d'origine en compression devait être démontrée en premier lieu. Le deuxième essai, équivalent à l'essai d'impact faible énergie (voir Chapitre I.3.2.1), est représentatif des sollicitations endommageantes des structures composites et justifie la nécessité de tenue de la réparation à ce type de sollicitation.
Le premier essai étudié (CAIR) est basé sur l'essai de CAI qui est lui même normalisé [ASTM, 2007a]. Les conditions d'essais ont ainsi été directement inspirées de cet essai, mais contrairement à l'instrumentation classique, la corrélation d'images et la thermographie infrarouge ont été privilégiées pour leur densité importante et leur complémentarité en terme d'information. De nombreuses configurations d'endommagement et de réparation ont été testées par ce dispositif afin de détecter les paramètres influençant la tenue de la réparation.
Dans l'ensemble, les résultats ont été assez similaires malgré ces différentes configurations. En moyenne, la réparation permet de restituer 95 % de la charge à rupture des éprouvettes saines alors que les éprouvettes endommagées font chuter cette charge à rupture de 40 % en moyenne. Le comportement des éprouvettes a également montré de grandes similitudes avec notamment une charge de flambement très similaire pour l'ensemble des éprouvettes. Grâce à la thermographie infrarouge, nous avons pu observer que les éprouvettes réparées ne montrent pas de signe de délaminages avant rupture. Ces résultats semblent corréler les résultats obtenus dans le Chapitre III qui montre que la ténacité de l'interface réparée est quasiment restituée pour toutes les éprouvettes. Ces bonnes propriétés sont également en accord avec ce qui a été montré dans la littérature [Russell, 1992]. Cependant, cet essai soulève finalement une interrogation sur sa capacité à discriminer la qualité de la réparation. En effet, parmi les différentes configurations d'essai, la configuration a priori la moins favorable (présence de porosités dans une interface légèrement moins tenace que le matériau d'origine), affiche la même capacité de restitution de charge à rupture et un comportement très similaire. Afin d'expliquer la différence importante de résistance en compression entre les éprouvettes non réparées et réparées, la construction d'un modèle éléments finis de compréhension a été initiée. L'idée à terme, est d'évaluer les propriétés minimales nécessaires à l'interface de réparation pour restituer l'ensemble des propriétés en compression. Cependant durant ces travaux, nous avons été confrontés à des problèmes numériques liés aux éléments cohésifs représentant l'interface réparée et n'ont pas permis d'estimer une ténacité minimale nécessaire à la réparation. La mise en place des outils est malgré tout partiellement effectuée et le modèle de base a déjà été validé du point de vue prévision
Dans la deuxième partie de ce chapitre, le poinçonnement (ou re-poinçonnement) a été appliqué à des échantillons réparés. Cette sollicitation hors plane, de même nature que celle qui a créé l'endommagement initial, semble particulièrement appropriée puisque les interfaces réparées doivent résister au moins aussi bien que l'interface d'origine sous peine d'induire un endommagement plus prononcé. Cet essai, simple à mettre en œuvre nécessite peu d'aménagements expérimentaux mais doit être associé à une méthode de CND capable de décrire avec précision l'endommagement. Le contrôle ultrasonore a été choisi dans notre cas.
Il était possible de tester un grand nombre de configurations sur le principe du poinçonnement (diamètre d'indenteur, encastrement de l'éprouvette, charge maximale,…), mais nous avons choisi après quelques essais exploratoires, de privilégier principalement quatre essais pour tester les deux résines de réparation et les deux états de réparation (avec ou sans porosités).
Contrairement à la CAI, les résultats obtenus en re-poinçonnement montrent que la ténacité de la résine de réparation influence le comportement structural de la réparation. En effet de manière analogue à l'étude de la propagation du délaminage au Chapitre III, les échantillons réparés avec les deux résines de réparation montrent une tenue équivalente voire meilleure avec une résine plus tenace que le matériau d'origine avec des aires délaminées plus faibles pour des chargements équivalents. En revanche, la présence de porosités modifie de manière très importante ce comportement avec un amorçage de l'endommagement plus rapide et des dommages beaucoup plus importants pour des chargements identiques aux éprouvettes saines. Ainsi, cet essai plus discriminant vis-à-vis de la qualité de la réparation, montre bien que les réparations doivent être testées suivant plusieurs conditions de sollicitation les plus complémentaires possibles.
Pour aller plus loin dans l'analyse et la démarche de validation des réparations composites, d'autres essais peuvent et doivent être envisagés. Pour cela plusieurs pistes d'essais complémentaires peuvent être évoquées avec des géométries, des séquences d'empilement ou bien des sollicitations différentes. On peut citer les essais sur plaques trouées, représentatifs d'une situation structurale, qui engendrent notamment des délaminages en bord de trou. Un autre essai possible de sollicitation hors plan est le dépliement de cornière [ASTM, 2006]. Les délaminages peuvent apparaître et s'étendre de manière instable dans le rayon des cornières.
Conclusions et Perspectives
La réparation des matériaux composites est aujourd'hui un enjeu majeur pour les industries du transport aéronautique. Les réparations utilisées actuellement sont peu adaptées aux dommages d'impact de faible énergie et sont très coûteuses. Cette thèse avait pour objet de proposer une solution de réparation alternative, mais également de mettre en place un processus de validation de la réparation. L’enjeu à terme est d'augmenter la confiance des industriels de l'aéronautique dans de nouvelles méthodes de réparations afin qu'un jour elles puissent être certifiées.
Pour étudier la réparation, des domaines de la physique très différents (procédé des matériaux, essais mécaniques, méthodes de CND,…) ont été abordés avec des explorations expérimentales associées à certains développements numériques. Les matériaux de l'étude sont : le composite T700GC/M21 et la résine RTM6 issus de programmes aéronautiques récents (A380 et A400M), et la résine XU3508/XB3403 en cours de certification aéronautique.
Cette étude a été décomposée en deux grandes parties. La première concerne l'étude des réparations composites et le développement de la réparation par infiltration particulièrement prometteuse mais inexploitée industriellement pour sa tenue mécanique. La deuxième partie concerne justement la sélection des outils et essais capables d'évaluer cette tenue mécanique. Deux approches sont discutées : le tenue de l'interface réparée et la tenue globale de la réparation dans un contexte plus structural.
Aspect procédé
Après l'étude des différents moyens de réparation existants sur les structures aéronautiques, l'idée développée dans cette thèse est de proposer une alternative aux solutions classiques par patch (boulonné/riveté ou collé). Cette méthode est basée sur l'infiltration de résine en utilisant le réseau d’endommagement essentiellement matriciel (ruptures de fibres limitées) dû aux impacts faible énergie. Cette technique bien qu'ayant déjà été étudiée au début des années 90, n'a jamais eu de suite pour les réparations structurales aéronautiques. L'objectif dans cette première partie a été de démontrer la faisabilité de cette technique.
Pour cela, cette réparation a été étudiée dans un premier temps de manière théorique avec la formulation d'un modèle analytique basé sur les propriétés physico-chimiques des matériaux. Ces propriétés (angle de contact, tension de surface et viscosité) n'étant pas disponibles dans la littérature dans les conditions de réparation, des expériences ont été menées pour les identifier. D'après ce modèle et avec une variabilité réaliste des propriétés matériaux, le procédé d'infiltration permet d'infiltrer théoriquement plus de 97 % des longueurs délaminées.
Un montage a été spécialement réalisé afin de tester différentes configurations de mise en œuvre de la réparation (pression d'injection, cycle de cuisson, résine de réparation,…) de manière reproductible et contrôlée. Afin de juger de la capacité de la résine à infiltrer les délaminages, différentes méthodes de
contrôle non destructif ont été étudiées. Le contrôle ultrasonore est apparu comme la méthode la plus adaptée pour une détection précise des surfaces délaminées (précision de l'ordre du mm²). Cette analyse a été complétée par des coupes micrographiques afin de visualiser et caractériser l’endommagement présent au cœur du matériau.
Dans une première étape de validation du procédé, des infiltrations sur des éprouvettes comportant une seule interface délaminée ont tout d’abord été réalisées. Pour cela, un empilement particulièrement délaminant ([02/902]s) a été poinçonné quasi-statiquement et réparé avec de très bons résultats d'infiltration. Par la suite, des dommages plus réalistes ont été générés par impact et indentation sur des stratifiés [02/+602/-602]s. L'indentation avec des flasques d'encastrement circulaires, a été privilégiée afin de maximiser les surfaces délaminées, tout en conservant l'architecture du dommage d'impact. Lors de la réparation aucune différence notable n'a été observée. Il faut toutefois noter la présence ponctuelle de porosités aux interfaces de réparation dans certaines mises en oeuvre. Dans tous les cas, le contrôle ultrasonore et les coupes micrographiques démontrent que la résine de réparation pénètre dans l'ensemble du réseau de fissures. Ces observations ne sont pas suffisantes en tant que telles pour valider la réparation dont le but est de restaurer la tenue structurale de la pièce concernée.
Aspect mécanique et validation de la réparation
Dans cette seconde partie, l'objectif a été de proposer une démarche de compréhension et de validation mécanique de la réparation.
Dans un premier temps, il était essentiel de nous intéresser à la tenue de l'interface entre le matériau d'origine et la résine de réparation. Nous avons ainsi cherché à caractériser plutôt la ténacité des interfaces réparées que leur résistance (amorçage) du fait de la présence possible de porosités. En effet, ces porosités peuvent être assimilées à des points d’amorçage qui ne doivent pas alors propager. Cet aspect sera abordé sur les essais plus structuraux.
Le choix des essais de caractérisation a été guidé par les essais classiques de la Mécanique de la Rupture, mais nous avons également cherché à nous rapprocher des conditions de sollicitations réelles des interfaces réparées à l'aide d'un essai original de traction rainurée développé avec C. Huchette et T. Vandellos [Huchette, 2008],[Vandellos, 2011]. Ainsi, l'intérêt de cet essai a été de tester des interfaces 0°/90° réparées avec le procédé de réparation tel qu'il a été présenté au Chapitre II. Très prometteur pour la caractérisation de notre réparation, l'essai de clivage habituellement utilisé pour caractériser l'ouverture de joints de colle, a finalement été rejeté car jugé trop imprécis. Les essais DCB et ENF en revanche, ont permis d'obtenir des résultats concluants et comparables à la littérature pour le matériau sain. Pour les deux résines de réparation retenues, aux ténacités très différentes, les réparations ont montré une restitution des propriétés en mode I et II en accord avec leurs propres ténacités. Il est à noter que l'une des deux résines possède une ténacité très supérieure à la matrice du matériau endommagé. En conséquence, des bifurcations des chemins de fissuration ont été observées empêchant une quantification précise de la ténacité de la réparation dans ce cas. D'autre part, l’analyse des résultats sur l’essai de traction rainurée a permis de confirmer qualitativement et sur une interface représentative de la méthode de réparation étudiée, les résultats obtenus par les essais classiques. La principale difficulté que nous avons rencontrée a concerné la mise au point de la méthode d'analyse de l'essai par éléments finis.
La tenue structurale de la réparation étant l'enjeu final de la démarche de validation, des essais de caractérisation représentatifs de structures ont été étudiés. Nous avons tout d'abord utilisé l'essai de compression après impact pour sa criticité importante vis-à-vis des matériaux composites. Le deuxième essai étudié a concerné le re-poinçonnement qui peut être assimilé à un ré-impact faible énergie. Cet essai est particulièrement intéressant car la réparation par infiltration ne modifie pas la structure interne du matériau et permet donc de comparer directement les dommages résultants à ceux obtenus sur structure saine. Pour ces essais de structure, un certain nombre de configurations d'endommagement (impact, poinçonnement, porosités) et de réparation (deux résines, influence de la pression) ont été étudiées.
Pour les essais de CAIR, quelle que soit la configuration envisagée, le comportement en compression des éprouvettes réparées a été très similaire à celui du matériau d'origine. La charge à rupture reste légèrement inférieure à celle du matériau sain, mais aucune différence significative n'a pu être établie entre les configurations de réparation malgré une résine de réparation moins tenace ou la présence de porosités dans la réparation. Deux conclusions peuvent être tirées de ces essais de CAIR. D'une part la tenue mécanique d'un panneau endommagé et chargé en compression peut être restitué à 95 % par la réparation par infiltration. D'autre part, ce mode de sollicitation n'est peut-être pas le plus adapté pour discriminer l'influence de la qualité des interfaces. En parallèle de cette étude expérimentale, la modélisation de l'essai de CAIR a été initiée. Ce modèle a été développé pour estimer les propriétés minimales des résines de réparation pour restituer la tenue mécanique du matériau sain. Des problèmes numériques liés aux éléments cohésifs n’ont pas permis de conclure dans le temps imparti sur ce point. Cependant, les outils mis en place ont notamment démontré, de manière complémentaire aux observations expérimentales, le mode de rupture final en compression des fibres des éprouvettes saines.
L'essai de re-poinçonnement (sollicitation hors plan) considéré comme complémentaire à l'essai de compression (dans le plan) a été développé et différentes conditions d'essais ont été testées. Un seul encastrement a été choisi (flasques de 50 mm de diamètre), et des contrôles ultrasonores systématiques ont permis d'évaluer l'endommagement pour trois niveaux de chargements successifs. Contrairement à l'essai de CAIR pour lequel plusieurs configurations d'endommagement initiales et de procédés de réparation ont été comparés, seules l'influence de la ténacité de la résine de réparation et la présence ou non de porosités dans la réparation ont été étudiées pour cet essai. Une différence significative entre la tenue des éprouvettes réparées avec les deux résines de réparation a pu être observée sur le comportement et sur l'endommagement résultant. Les éprouvettes réparées avec la résine la moins tenace – mais proche de la ténacité de la matrice du composite – ont un comportement similaire aux éprouvettes saines tandis que les éprouvettes réparées avec la résine plus tenace montre un endommagement moyen plus faible. Concernant les échantillons contenant des porosités, la tenue au re-poinçonnement a été significativement réduite avec des aires délaminées plus importantes que celle observées au sein du matériau originel.
De ces résultats, il semble possible de restituer les propriétés de tenue à l'impact à l'aide de la réparation par infiltration, moyennant une ténacité apparente de l’interface réparée suffisante. Plus généralement, l’essai de re-poinçonnement semble être plus discriminant vis-à-vis de la qualité de l'interface réparée et constitue un essai de structure très intéressant et complémentaire à celui de la CAI.
Perspectives de l'étude
Nous présentons ici, un certain nombre de pistes de recherches qui peuvent être envisagées pour poursuivre la démarche de validation de nouvelles réparations composites.
Tout d'abord concernant le procédé, les problèmes de certification des réparations par patch collé peuvent être transposés à la méthode de réparation par infiltration. Afin d'apporter des solutions a ce problème des études existent sur l'amélioration du contrôle de la qualité du collage [Dinnebier, 2007]. Le SHM (Structural Health Monitoring) est une manière de contourner le problème contrôlant en permanence l'état du collage. Ainsi le contrôle par capteur piézo-électrique [Chapuis, 2010] ou réseaux de Bragg [Kersey, 1997] peut être associé à la méthode de réparation par infiltration pour évaluer sa dégradation au cours du temps.
Les réparations de cette étude ont été réalisées dans un montage spécifique. S'assurer d'une mise en œuvre in situ correcte sur des pièces réelles serait une étape supplémentaire vers la validation de la méthode de réparation. Le problème d'accessibilité aux deux côtés des panneaux peut être également abordé lors de ces essais avec par exemple le perçage les trous d'infiltrations et d'évacuation sur la même face du composite. Toujours dans l'objectif d'aller vers la structure réelle, l'éventuelle pollution du dommage par des fluides peut être un obstacle à une réparation réussie. Il serait intéressant de poursuivre les travaux menés par Russell dans ce domaine [Russell, 1992] et d'étudier un procédé de "nettoyage" ainsi que le comportement mécanique après réparation de dommage pollué.
Afin de caractériser mécaniquement la réparation, la première étape envisagée a été d'étudier la tenue de l'interface de réparation. Cette caractérisation a été réalisée sur des interfaces 0°/0° pour les essais classique de la Mécanique de la Rupture, et sur une interface 0°/90° pour l'essai de traction rainurée. Il serai intéressant d'observer le comportement des interface 0°/45° et 0°/60° réparées afin d'identifier des valeurs de ténacité exploitables dans le modèle structural de la réparation qui a été initié.
Pour la caractérisation structurale de la réparation beaucoup d'essais complémentaires peuvent être réalisés. Parmi ces essais, la compression et la traction sur panneau raidi, la traction sur éprouvettes trouées (dommage de perçage) ou encore le dépliement de cornière sont des situations réalistes de sollicitation des réparations. Le travail de simulation initié pour l'essai de CAIR, peut être étendu à ces autres configurations d'essais afin de choisir l’essai de validation structurale le plus représentatif, voire le plus discriminant. Dans ces travaux, nous avons cherché à caractériser la réparation avec des essais quasi-statiques et dans des conditions environnementales favorables. Ces mêmes essais doivent être menés en prenant en compte différents facteurs qui peuvent influencer la tenue des réparations. Parmi eux, la fatigue, le vieillissement, l'oxydation, la thermique ou bien encore la reprise hydrique sont des situations que les réparations doivent surmonter pour être validées puis certifiées.
Pour finir, ce travail de thèse s'inscrit dans le projet européen CleanSky qui vise l'amélioration de l'impact environnemental de l'industrie aéronautique. La réparation qui a été développée est une application directe de cet effort pour proposer une réparation moins coûteuse pour le procédé et diminuer le surpoids de la réparation finale. Afin de valider les idées développées, un démonstrateur sur la base d'un panneau raidi a été défini et les essais de compression sur ces panneaux sont programmés pour fin 2010. Les détails concernant ce projet et l'essai de structure sur panneau réparé
est détaillé dans l'Annexe III. Ce projet devrait permettre de faire un pas de plus vers la reconnaissance de l'utilisation possible d'une solution de réparation allégée sur une pièce de structure.